航空领域用特种高性能玻璃纤维材料.pdf

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1、·jIl：i堂工呈￡H丛QLQ鱼YE8Q丛工——航空领域用特种高性能玻璃纤维材料SpecialandHighPerformantGlassFiberMaterialUsedbyAviationField中材科技股份有限公司特种纤维事业部张焱祖群张焱博士，中材科技股份有限公司特种纤维事业部工程师。研究方向：特种纤维及其应用。在航空制造发展的过程中，复合材料已成为航空工业不可或缺的一种材料，与铝合金、钢和钛合金3大金属材料共同成为支撑航空事业发展的基石。目前，先进的军用飞机复合材料用量比重正逐年增大。先进的民用客机，如空客

2、系列，其复合材料用量也迅速增加。复合材料在空中客车中的应用比例逐年递增，这也代表了未来民用客机独特的技术发展方向。预计今后复合材料的用量将超过飞机总重量的50％，复合材料的用量已成为衡量飞机先进性的重要标志。130航空制造技术·2014年第15期飞机结构复合材料化不但改变了飞机结构设计和制造的传统，也将对特种高性能玻璃纤维材料的应用提出更高的要求。在航空领域，无论是民用客机还是军用飞机都使用了高性能玻璃纤维增强的复合材料，这种材料具有优良的力学性能，优异的抗疲劳和耐腐蚀性，优良的透波介电性能，可实现20％．30％的结构

3、减重，其结构有利于整体设计和制造，可在提高飞机结构效率和可靠性的同时，降低制造成本。据报道，欧洲空客公司最先进、最具代表性、也是采用复合材料比例最高的A380—800飞机，使用了高达30～35t的先进复合材料，主要是碳／环氧复合材料，也包括GLARE(玻璃纤维增强铝)和玻纤／环氧复合材料。此外，还有30t玻纤／酚醛复合材料，用于飞机的内装饰。玻璃纤维虽然在比强度、比模量方面与碳纤维有一定差距，但优异的性价比也使其具有广泛的应用。航空用特种高性能玻璃纤维的种类航空用特种高性能玻璃纤维的种类主要包括2大类，一类用于结构增强

4、的主、次承力结构件中，如GLARE层板、直升机旋翼等；一类是应用在有特殊电性能要求的功能结构件中，如机头罩、天线罩和雷达罩等。使用的玻璃纤维主要为高强玻璃纤维、石英玻璃纤维和无碱玻璃纤维。此外，玻璃微纤维作为隔音隔热材料也在航空领域得到了应用。(1)高强玻璃纤维。按照国际标准IS02078对玻璃纤维分类定义，有2类高机械强度的玻璃纤维，一是S级高强玻璃纤维；另一类是R级高强玻璃纤维。前者是指硅铝镁系统玻璃拉制的，后者是硅铝钙镁系统玻璃，这2类高强玻璃纤维在国外均有制造和应用。s级高强玻璃纤维由美国OCV公司发明于20世

5、纪60年代，商品牌号为s一2，R高强玻璃纤维由法国Saint—gobain公司发明，目前联手OCV公司经营；国内主要是s级高强玻纤，如中材科技股份有限公司定型生产的HS2和HS4。(2)石英玻璃纤维。石英玻璃纤维作为一种电绝缘性、耐温性、机械性能极优的特种纤维，在航空、航天、军工、高温隔热、高温过滤方面有着广泛的应用。石英玻璃纤维的介电常数和介质损耗系数是所有矿物纤维中最低的，在高温和高频率下，它的电绝缘性也表现得非常优秀。再加上低密度、不吸湿性和优秀的机械性能，使它成为雷达罩、电磁发射窗口和低介电透波部件的首选材料。

6、(3)特种无碱玻璃纤维。无碱玻璃纤维在航空复合材料上应用是以精细织物预浸料为主，单纤维直径不大于9¨m，这类玻璃纤维织物经纬密度高，要求布面平整度高且外观质量好。制成的复合材料除具有良好的耐腐蚀和电绝缘性能外，还具有较强的抗层间剪切撕裂性能。由于碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象，可采用玻璃纤维复合材料对碳纤维复合材料与金属件之间进行隔离或防护。(4)玻璃微纤维制品。玻璃微纤维制品采用单纤维平均直径在3¨m以下的微纤维为基体材料，经过湿法、干法成毡或外覆特制的玻璃纤维布缝合而成。根据使

7、用要求，微纤维可以是无碱、玄武岩、高硅氧、石英等玻璃纤维，微纤维制品具有不燃(A级)、耐高温、容重低、良好的耐碱性、抗热振性等优点。特种高性能玻璃纤维的具体应用(1)主承力结构件。旋翼桨叶作为直升机的主要振源之一，主要承受高周低应力疲劳，为此旋翼桨叶的设计既要考虑动力学设计，又要考虑桨叶的疲劳细节设计。复合材料旋翼桨叶主要由桨叶大梁、桨叶蒙皮、后缘条、桨叶内腔填充泡沫或蜂窝及前缘防蚀包片等组成。对于桨叶大梁，它是桨叶的主承力件，通常采用0。铺层或缠绕方式组成。由于承受了大部分离心力和弯矩，它是桨叶抗拉刚度、挥舞及摆振刚

8、度的主要贡献者，并且要求具有高的抗冲击性能、通常选用高强玻璃粗纱带。欧洲直升机公司采用R高强玻璃纤维，美国一般采用S一2玻璃纤维，我国直升机旋翼系统复合材料目前采用国产高强(HS4)玻璃纤维。旋翼桨叶蒙皮是桨叶的升力面和扭转、摆振刚度的主要贡献者，承受部分离心力和弯矩，通常采用碳纤维与玻璃纤维增强复合材料混合铺层，主要以±45。铺